올해는 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 발표한지 꼭 100년이 되는 해이며, 그가 세상을 뜬 지 50년이 되는 해이다. 이를 기념해 2005년이 물리학의 해로 선포된 것을 볼 때 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 인류에게 끼친 영향이 얼마나 큰 지를 짐작할 수 있다. 이에 본보에서는 전자물리학과 유성미 교수, 이상진(석사과정 수료) 씨의 도움을 받아 상대성 이론의 역사적 배경과 그 내용을 두 차례에 걸쳐 정리해 본다. 

  특수상대성 이론은 일정한 속도로 상대방에 대해 움직이는 관찰자가 시간, 길이, 질량 및 에너지와 같은 물리량에 대한 측정치를 어떻게 비교하는 것인가를 논의한다. 그 결과 우리는 지금까지 시간과 공간에 대해 가졌던 기본 개념이 뒤집히는 걸 경험하게 된다.

동시성 : 기차가 어떤 역에 7시에 도착했다면, 역의 지구 반대편에서도 그 도착시간이 같을까?

  먼저 동시성에 대해 알아보자. 두 개의 사건이 동시에 일어났다는 사실을 어떻게 정할 수 있는지 생각해 보기로 하자. 같은 장소에서 두 사건이 동시에 일어나면 그것이 동시라는 것은 자명하다. 기차가 7시에 역에 도착한다는 사실은 기차가 역에 도착하는 사건과 시계가 7시를 가리키는 사건이 동시라는 뜻이다. 이런 경우 시계가 놓인 곳과 기차가 도착하는 역이 같은 장소이며 우리는 여기에서 동시성을 쉽게 확인할 수 있다.

  하지만 먼 곳에서 일어난 사건과 가까운 곳에서 일어난 사건이 동시에 관측되었다면 같은 시각에 일어난 것처럼 보였어도, 결코 동시에 일어난 것이 아니다. 가까운 곳에서 일어난 사건은 그 정보가 짧은 시간에 도달하지만, 먼 곳에서 일어난 정보는 긴 시간이 걸려 우리에게 도달하였기 때문이다. 동시성은 절대적인 개념이 아니라 관측자의 운동 상태에 따라 변하는 상대적인 개념이다.

시간 지연 : 빨리 달릴수록 시간은 느리게 간다

  다음은 시간에 대해 생각해보자. 등속으로 달리는 기차 안에서의 시간은 느리게 가고 정지해 있는 기차 밖의 시간은 빨리 간다. 이런 효과를 ‘시간 지연’이라 한다. 빨리 달릴수록 시간은 느리게 간다.

  예를 들어, 광속력의 0.8배로 지구에서의 시간 50년 동안 우주여행을 하고 지구로 돌아오면, 그동안 우주 비행사의 우주에서의 시간은 얼마나 지났을까? 시간지연공식에 따르면 ( : 우주선 안에서 기록한 시간, △t : 지구에서 기록한 시간, v : 우주선의 속력, c : 빛의 속력) 30년이 나온다. 지구에서의 50년은 광속도의 0.8배의 속력으로 나는 우주비행사에게는 30년에 해당된다.

길이 수축 : 등속으로 운동하는 물체를 정지한 사람이 관측하면 길이가 짧아 보인다. 또한, 등속으로 운동하는 물체를 정지한 사람이 관측하면 길이가 짧아 보인다.

  이런 효과를 ‘길이 수축’이라고 한다. 즉, 빠른 속력으로 운동하는 물체는 운동하는 방향으로 줄어들어 보인다. 예를 들어 길이 100m의 우주선이 광속도의 0.8배로 달리면 60m로 보인다.

  일반상대성 이론에 의해 열린 지평 일반상대성 이론은 물체의 가속도 운동을 포함하는 중력에 관한 것이다. 질량은 두 가지 분명히 다른 성질을 가지고 있는데, 하나는 다른 물체를 끌어당기는 중력적 면이고 다른 하나는 가속에 저항하는 관성적 면이다. 아인슈타인은 이 두 가지의 다른 성질사이에 매우 밀접하면서도 기본적인 관계가 있음을 일반상대성 이론에서 밝혔다.

  또 여기에서 두 가지를 가정하고 있다. 그것은 첫째, 모든 자연법칙은 기준계의 가속 여부에 관계없이 모든 기준계 안의 관측자에 대해서 동일한 형태를 갖는다. 둘째, 주어진 점 주위에서 중력장은 중력장이 없는 기준계의 가속 효과와 동일하다. 이것을 ‘등가 원리’라고 한다. 이 가정은 중력 질량과 관성 질량이 완전히 같음을 의미한다.

  인류는 상대론에 의해서 많은 에너지를 얻고 풍요로운 생활을 할 수 있게 되었다. 원자에너지를 이용할 수 있으면서 고 에너지 입자가속기를 만들어 소립자의 세계를 연구할 수 있게 되었고, 이런 연구의 결과 우주여행의 가능성과 새로운 질병 치료의 방법 등을 열게 되었다. / 기획부